基于听觉响应时间的麻醉作用效果监测的研究

摘要

麻醉剂在临床工作和动物实验研究中均是必不可少的。临床工作中使用麻醉剂是为了保障患者安全及手术顺利进行。在动物实验中麻醉剂可以满足手术需要且使研究人员和实验动物安全。在这两个过程中，对麻醉效果的正确评估，即准确地监测麻醉深度是十分必要的。目前起主导作用的是通过监测大脑皮层活动来监测麻醉深度的脑电图信号。但是众多研究发现这一信号具有药物差异性，且缺少实时性，准确性和可靠性也待提高。
　　 听觉系统作为研究麻醉监测的模型有其自身优越性。听觉通路各级核团神经元对声刺激只产生很少发放，大多数神经元只产生与时间锁定的起始(onset)反应，即使在麻醉、昏迷、睡眠等状态下也能保持与清醒状态一样对外界警觉性。且声刺激简单易控，可以在实验室中组合成各种简单和复杂的刺激条件。在多达八级的听觉级层中，下丘组织是一个很重要的信息整合中心，在上行和下行通路中都有着很重要的作用。尤其是考虑到实验方法时，下丘组织成为信息载体是很多听觉研究的首选。
　　 时间编码作为感觉信息在中枢的编码方式不断得到肯定。动作电位产生时间，尤其是第一动作电位延时(First spike latency, FSL)由于其可能携带大量的感觉信息，引起了越来越多的关注。先后在视觉、体感、嗅觉、海马的空间辨别及听觉等感觉系统中获取数据显示，神经元以FSL表征感觉信息更为准确和可靠。因此，现在认为神经元动作电位的产生时间很可能编码了感觉信息。麻醉过程一般需要很长的记录时间，因此我们选择与单个动作电位具有同样时空特性的听觉局部诱发电位作为研究对象，研究局部诱发电位的特征指标在麻醉状态下的变化。
　　 乌拉坦因其良好的麻醉效果在听觉研究中常被用作麻醉剂。本研究基于乌拉坦麻醉改变小鼠神经系统状态的动物模型，实验中连续观察听觉诱发局部电位在麻醉过程中的变化，并根据听觉诱发局部电位特征指标的改变来研究麻醉对小鼠神经系统响应状态的影响，旨在寻找一种更适合作为临测麻醉深度的指标。
　　 实验采用小鼠下丘体细胞外记录的方法记录听觉神经元群在麻醉状态下对声音刺激的反应。将一长约1.5cm的平头金属钉粘在小鼠头骨表面，在下丘部位的头骨上钻孔，暴露下丘部位的组织，并于此后第三天时将已经从手术麻醉中清醒的动物固定在塑料泡膜槽中，泡膜槽置于平底水盘中，放置在屏蔽室的防震台上。保持动物双耳听觉正常，刺激条件为闭合声场。通过Tucker-Davis Technologies3系统来产生纯音作为刺激，其时程(duration)为50ms，上升—下降时间(rise-fall time)为5ms。通过计算机用Brainware软件控制和改变声刺激的频率和强度。
　　 用金属微电极进行细胞外记录，记录结果用TDT3采集和分析。在下丘用噪音找到符合条件的神经元群后，再用由不同频率和强度组合而成的纯音模块进行刺激，以确定该神经元群的最佳响应频率。接着给动物注射乌拉坦，刺激条件也更换为相应的频率—强度组合。声音刺激诱发的局部电位的波形由计算机采集并整理。记录过程中，可同时用Brainware软件监测刺激后放电直方图(Poststimulus time histograms，PSTH)，然后对神经元群的潜伏期及幅度与时间的关系作图，并拟合分析对应的变异系数（Coefficient of variation，CV）随时间的变化趋势。
　　 在实验过程中，我们连续记录了13只小鼠下丘在各个强度水平下纯音诱发的局部电位。实验分为三个阶段:
　　 第一阶段找寻下丘组织中符合条件的神经元群;
　　 第二阶段确定记录电极尖端对应神经元群的最佳响应频率;
　　 第三阶段从完成乌拉坦注射的那一刻开始记录，每10分钟为一个记录时段，每个时段记录一组刺激强度依赖的听觉局部诱发电位波形。
　　 在Matlab软件平台中识别出每个记录时段的每个刺激条件对应的听觉局部诱发电位的潜伏期和幅度，并分别做出每个动物麻醉过程中刺激强度依赖的潜伏期—时间函数和幅度—时间函数，比较这两个函数的变化。
　　 腹腔注射后，麻醉剂在小鼠体内会表现出扩散、吸收和代谢过程，这个过程因小鼠体质等原因而有时间长短之差，但根据麻醉剂血药浓度的变化来看，其大致过程基本相同。实验结果显示，在这个过程中，听觉局部诱发电位的潜伏期—时间函数在不同动物、不同强度刺激下有一致的变化趋势。而幅度—时间函数则较为杂乱，变化复杂。因此我们定性地推断听觉局部诱发电位潜伏期是描述麻醉深度变化的指标。
　　 定性直观地观察得出潜伏期的指标特性是不够的，我们拟通过Poincare散点图作进一步分析。该散点图所得结果可从两个方面进行描述:
　　 一、点集覆盖范围；
　　 二、点集聚集形态。
　　 本文中对于23个记录位点的神经元群我们分别从潜伏期和幅度两个数值进行考虑。结果表明，潜伏期数值的点集覆盖范围小，且聚集形态规则，说明潜伏期本身与时间有很好的相关性，随时间推移呈现出较好的规律性变化。幅度点集覆盖范围大，点集聚集随机性很大，说明幅度数值与时间的相关性不是很好，没有明确的变化规律。进一步定量说明听觉局部诱发电位潜伏期适合作为麻醉深度的监测指标。
　　 选定临测指标后，我们以该临测指标为参量描述麻醉深度的变化。通过分析潜伏期的变异系数(Coefficient of Variation，CV)随记录时段的变化，可得出CV在2h以后的记录时段内是几乎稳定不变的。然后通过曲线拟合方法并结合真实实验观察所得将完整的记录时段分为三部分:积累期、稳定期和清醒期。然后比较麻醉真正作用的两个期即稳定期和清醒期的持续时间可得出，稳定期在整个时段中所占比例较大，说明在乌拉坦麻醉时潜伏期在某个特殊时段内是维持恒定的。
　　 我们知道麻醉剂在体内起作用主要是通过血药浓度导致神经系统出现一系列的变化。一般麻醉给药后，血药浓度先是逐渐增加，达到最大值后又开始降低，也就是说，麻醉剂对神经系统的抑制程度是逐渐达到最大值后又开始缓慢恢复的过程。本文显示的结果与上述完全不同。乌拉坦对潜伏期的作用结果是潜伏期在注射完成的2h内逐渐减小，然后趋于相对稳定不变，直至药物代谢完毕动物清醒。
　　 乌拉坦主要通过抑制乙酰胆碱酶的活性，造成乙酰胆碱的积累，影响实验动物正常的神经传导而发挥其麻醉作用。因此乌拉坦诱导听觉固有延时的改变可能来源于麻醉对神经纤维的传导延迟。至于实验结果和麻醉状态下血药浓度的改变完全不符，我们认为这一结果和乌拉坦引起小鼠血糖水平升高有关。
　　 在讨论乌拉坦作用下潜伏期的时间效应时，我们也怀疑所示结果是否和下丘组织本身特性有关。根据下丘组织的频率拓扑特性考虑所记录神经元群的位置和对应潜伏期的变化是否有关。结果证实，麻醉对下丘组织的作用是普遍的，与神经元群所处的位置无关。
　　 我们的研究结果提示:以听觉局部电位的潜伏期作为麻醉深度的监测指标在以乌拉坦做麻醉剂的情况下是合理的，且根据研究结果中潜伏期数值处于相对稳定不变的情况可以将乌拉坦用于其他与时间相关的听觉研究。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 背景和意义

1．2 立论依据

1．3 内容安排

第二章 听觉生理学

2．1 听觉系统的特性

2．2 听觉系统的时间编码

2．3 本文探讨的问题

第三章 实验介绍

3．1 材料与方法

3．1．1 实验基本情况

3．1．2 实验材料与仪器

3．1．3 动物手术

3．1．4 声音刺激

3．2 实验记录过程

3．3 数据处理

3．4 实验结果

3．4．1 一般情况

3．4．2 诱发电位随时间的变化

3．4．3 潜伏期更适合作观测指标

3．4．4 潜伏期的变化趋势

3．4．5 潜伏期的变化与CF的关系

第四章 结果讨论

4．1 乌拉坦的物理特性

4．2 乌拉坦的麻醉特点

第五章 后期展望

参考文献

论文发表情况

致谢

声明

统计学证明